О возможном механизме перемещения Большого красного пятна Юпитера Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 525.625

Н.И. Павлов, В.М. Зуев, С.В. Замышляев, Д.Е. Иванова

ПАВЛОВ Николай Иванович - доктор географических наук, профессор кафедры безопасности жизнедеятельности в техносфере Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток) E-mail: [email protected], ЗАМЫШЛЯЕВ Сергей Витальевич - старший преподаватель кафедры экологии (Дальневосточная сельскохозяйственная академия, Уссурийск), ЗУЕВ Виктор Михайлович - инженер по технике безопасности (ТЭЦ-2, Владивосток), ИВАНОВА Дарья Евгеньевна - студентка Школы экономики и менеджмента (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). E-mail: [email protected] © Павлов Н.И., Зуев В.М., Замышляев С.В., Иванова Д.Е., 2012

О возможном механизме перемещения Большого красного пятна Юпитера

Описан предполагаемый механизм перемещения Большого красного пятна планеты Юпитер, приведены расчеты скорости его перемещения с помощью формулы Россби.

Ключевые слова: Большое красное пятно, Юпитер, длинные волны, скорость перемещения, формула Россби.

A possible mechanism of movement Jupiter's Great Red Spot. Nikolai I. Pavlov - School of Engineering, Daray E. Ivanova - School of Economics and Management (Far Eastern Federal University, Vladivostok), Sergey V. Zamyshlayev (Far East Academy of Agriculture, Ussuriisk), Viktor M. Zuev (TEC-2, Vladivostok). We describe the proposed mechanism for moving the Great Red Spot of Jupiter, the calculations of the speed of its movement through the Rossby formula.

Key words: Big Red Spot, Jupiter, long waves, speed of moving, formula of Rossby.

Большое красное пятно имеет форму эллипса с полуосями эллипса 15 тыс. и 5 тыс. км. Большое красное пятно наблюдается уже около 300 лет. За 100 лет наблюдений оно почти три раза обогнуло планету. Предположительно Большое красное пятно (БПК) - это свободный антициклонический атмосферный вихрь. Время существования БКП порядка нескольких тысяч лет, период вращения внутри составляет около 7 сут.

Атмосфера планеты Юпитер нагревается снизу примерно с той же скоростью, как его верхние границы нагреваются солнечной радиацией. В отличие от Земли температурные градиенты в направлении север-юг в атмосфере Юпитера изменяют знак несколько раз на протяжении между экватором и полюсом, и здесь нет доказательства какого-либо значительного систематического контраста температуры между экваториальной и полярной зонами. Лабораторные эксперименты по наклонной конвекции в кольце жидкой среды при внешнем нагреве показали, что высокоустойчивые замкнутые антициклонические вихри с главным движением, сконцентрированным в струйном течении по периферии каждого вихря, заметно похожи в динамическом отношении на долгоживущие вихри, которые видны в южном полушарии атмосферы Юпитера. Самым большим, самым старым и самым примечательным из них является Большое красное пятно в тропической зоне южного полушария, которое может иметь, по крайней мере, трехсотлетний возраст. Следующими по размеру и возрасту являются три Белых овала, которые образовались в 1939 г. у границы между Южным температурным поясом и Южной температурной зоной, по-видимому, как остаток высоконерегулярного Южного тропического возмущения, которое впервые наблюдалось в 1901 г. Самые маленькие из долгоиграющих вихрей четко видны на снимках «Вояджера» как десяток овальных отметок, расположенных ближе к полюсу. Движение в каждом из этих вихрей антициклоническое и в значительной степени ограниченно узкой зоной по кромке каждого вихря. Хайд (1980) предположил, что вихри являются следствием наклонной конвекции в атмосфере Юпитера. Вихри образуют кинетическую энергию непосредственно от потенциальной энергии под действием силы тяжести, оказывающей влияние на вариации плотности, вызванные внутренним и солнечным нагреванием, и переносят тепло из внутренней зоны к кромкам широких полос, в которых они возникают. Наклонная конвекция принимает форму замкнутых антициклонических вихрей с основной частью движения, сконцентрированной в струйном течении на периферии каждого вихря. Фотографии Юпитера показывают, что очень неустойчив поток сравнительно небольшого масштаба только снаружи, но не внутри Большого красного пятна (также других

долгоживущих вихрей), поэтому важно экспериментально и теоретически устанавливать, появляется ли этот поток в результате неустойчивости струйного течения на кромке главного вихря [1—3]. Цель настоящего сообщения - показать, что можно рассчитать скорость перемещения Большого красного пятна Юпитера с помощью широко известной формулы Россби.

B.И. Петвиашвили предложил модель, согласно которой Красное пятно представляет собой антициклонический солитон Россби [2].

Солитон Россби - нерасплывающийся пакет волн Россби, тех самых, которые определяют структуру крупных вихрей в океане и атмосфере Земли и аналогичны дрейфовым волнам в плазме [1]. В атмосфере этот солитон выглядит как местное возвышение, вращающееся вокруг собственной оси, в котором избыток гидростатического давления в центре уравновешивается силой Кориолиса. Солитон движется без изменения формы. Согласно модели Петвиашвили, такой солитон представляет собой антициклон, так как циклон (т.е. лунка, вращающаяся в одном направлении с планетой) должен очень быстро расплываться; кроме того, он должен иметь размеры, зависящие от его высоты и динамических параметров Юпитера, а также перемещаться по параллели против глобального вращения планеты. Предполагается, что солитон поддерживается сдвиговыми атмосферными течениями - зональным ветром.

C.В. Антипов, М.В. Незлин, Е.Н. Снежкин и А.С. Трубников на специально построенной установке провели экспериментальную проверку этой теории. Моделью атмосферы Юпитера в опытах являлся тонкий (3-5 мм) слой воды, покрывающий поверхность параболического сосуда, который вращается вокруг вертикальной оси со скоростью 1,5-2 об/с. Сосуд такой формы был выбран для того, чтобы можно было получить слой вращающейся жидкости постоянной толщины. В качестве рабочей жидкости использовалась вода, поскольку она является пустой средой с достаточно низкой вязкостью (излишняя вязкость сильно сократила бы время существования вихрей). В определенном участке вращающегося параболического слоя воды с помощью небольшого быстро крутящегося «диска накачки», включавшегося на короткое время, создавался антициклонический вихрь. Опыты показали, что после выключения «диска накачки» вихрь проявлял свойства, очень близкие к предсказываемым теорией свойствам солитона Россби: он имел примерно ожидаемые размеры, двигался по «широте» против вращения сосуда с приблизительно нужной скоростью и вращался вокруг собственной оси против вращения сосуда.

Вихрь не расплывался, т. е. имел характер уединенной волны - солитона; время его жизни было столь велико, что он успевал продрейфовать на расстояние порядка десяти собственных диаметров, чем принципиально отличался от классического (линейного) волнового пакета, который расплывается при перемещении всего на один собственный диаметр.

Скорость перемещения БКП на запад (противоположно вращению) можно оценить по формуле:

С=и вЮ ЛШП _ и _ 2 тю С()н<р • К2бкп (1)

4 4Яю '

где юЮ - угловая скорость вращения Юпитера, ф - широта БКП, ЯБКП - радиус БКП, ЯЮ - радиус Юпитера, и - средняя скорость зонального потока, совпадающего с направлением вращения Юпитера.

Выражение (1) можно записать в виде

с_и_Сю(ф . (Лап.)2, (2)

2 кю

где СЮ - линейная скорость вращения Юпитера на экваторе, для ф = 22°, СЮ = 12,2 км/с, ЯБКП = 7500 км, ИЮ =70000 км.

Получим С=И-61 м/с.

Положив И=58 м/с, получим С= -3 м/с.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Монин А.С., Кошляков М.Н. Синоптические вихри, или волны Россби, в океане. Эксперимент и основы теории // Нелинейные волны. Горький: Наука, 1979. С. 258.

2. Петвиашвили В.И., Похотелов O.A. Уединенные волны в плазме и атмосфере. М.: Энергоатомиздат, 1989. 200 с.

3. Maxworthy T., Redecopp L.G. // Icarus. 1976. V. 29. Р. 261.